Новая конструкция ветроэлектроагрегата

Описание:

Новая конструкция ветроэлектроагрегата

В. П. Харитонов, канд. техн. наук, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводят к глобальным изменениям климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии, которые экологичны и возобновляемы. В области использования энергии ветра Россией и другими странами уже наработан огромный опыт в создании и эксплуатации ветроагрегатов. В статье приведены результаты натурных испытаний российского ветроагрегата мощностью 10 кВт*, и показаны преимущества новой конструкции по сравнению с аналогичными моделями лучших отечественных и зарубежных установок.

Ветрополигон ВИЭСХ в г. Истре Московской области проводит испытания ветроэлектрических установок различной мощности. Результаты испытаний оформляются протоколами и отчетами с анализом полученных данных. При получении положительных результатов даются рекомендации по организации серийного производства.

К числу обязательных измерений относятся:

– определение мощностных характеристик ветроагрегатов в рабочем диапазоне скоростей ветра;

– проверка отсутствия резонансных режимов работы;

– проверка качества энергии в расчетном режиме и измерение производимого при работе уровня шума.

В 2002 году институт электромеханики ФГУП НИИЭМ (г. Истра) разработал ветро-дизельную электрическую установку мощностью 10 кВт с изготовлением двух опытных образцов. Руководил проектом главный конструктор С. А. Никонов, имеющий большой опыт создания ветроэлектрических установок (ВЭУ) мощностью от 1 до 250 кВт. Испытания двух новых образцов ветроагрегатов типа ВТН8-10 проводились на ветрополигоне ВИЭСХ около двух лет. По всем видам проверки были получены положительные результаты [1].

Рисунок 1.

Ветроагрегат ВТН8-10 в период испытаний

На рис. 1 представлен общий вид данного ветроагрегата с двухлопастным ветроколесом диаметром 8 м и деревянными лопастями, выполненными с круткой 20°. Профиль лопастей – NACA-44, номинальная быстроходность ветроколеса равна 10. Ветроколесо устанавливается на валу магнитоэлектрического генератора и имеет центробежный регулятор частоты вращения с ограничением на уровне 250 об/мин. Монтаж ветроагрегата на месте применения выполняется без использования бетона. Мачта ветроагрегата устанавливается на металлической плите (рис. 2), фиксируемой штырями, забиваемыми в грунт. Для крепления четырех растяжек на глубине 1,5 м горизонтально устанавливаются швеллеры длиной около 1 м. Связь тросовых растяжек со швеллерами обеспечивается при использовании металлических стержней, имеющих антикоррозионное покрытие. Подготовку ВТН8-10 к монтажу, включая засыпку траншей грунтом, обычно выполняют за один день. Монтаж ветроагрегата и подъем головки с ветроколесом осуществляется с помощью ручной лебедки за 2–3 часа. Проведенные в г. Истре и на побережье Финского залива (в режиме эксплуатации с энергоснабжением реальных потребителей) испытания ветроагрегатов с повторным использованием закладных деталей фундамента подтвердили надежность такого фундамента в процессе эксплуатации ветроагрегата.

Рисунок 2.

Схема опорных устройств ВТН8-10

При натурных испытаниях была поставлена задача определить показатели эффективности ветроагрегатов, позволяющие сопоставить характеристики ветроагрегата ВТН8-10 с характеристиками лучших отечественных и зарубежных ветроэлектрических установок соизмеримой мощности.

В качестве основного показателя эффективности ветроагрегатов малой мощности (от 4 до 30 кВт) принимается общий КПД ветроагрегата h₀, определяемый как отношение развиваемой генератором ветроагрегата мощности к энергии ветрового потока для нормальных климатических условий:

где Р – мощность, развиваемая генератором, кВт;

V – скорость ветра, м/с;

D – диаметр ветроколеса, м.

Мощностные характеристики и КПД ветроагрегата ВТН8-10 сопоставлялись с аналогичными показателями продукции Лианозовского электромеханического завода, выпускающего совместно с швейцарской фирмой ветроагрегат ВЭУ-30 (рис. 3), а также с характеристиками ветроустановок ВЭУ GEV10-25 (Франция) и АВЭУ6-4 (СССР) [2, 3]. Результаты приведены в таблице.

Таблица
Мощностные характеристики и КПД ветроагрегатов мощностью от 4 до 30 кВт

V, м/c	ВТН8-10		ВЭУ-30		GEV10-25		АВЭУ6-4
	Россия		Россия, Швеция		Франция		СССР
	Р, кВт	η₀	Р, кВт	η₀	Р, кВт	η₀	Р, кВт	η₀
5	1,4	0,36	4,7	0,4	1	0,16	0,6	0,28
6	3,0	0,45	8,2	0,4	3	0,29	1,2	0,32
7	4,7	0,45	13,0	0,4	6	0,36	1,8	0,30
8	7,0	0,44	18,5	0,38	9	0,36	2,7	0,30
9	9,4	0,42	24	0,35	12	0,34	3,6	0,29
10	10	0,32	30	0,32	15	0,31	4,0	0,28
11	10	0,24	30	0,24	19	0,29	4,0	0,17
12	10	0,15	30	0,18	22,5	0,27	4,0	0,13
13	10	0,14	30	0,14	27,5	0,26	4,0	0,10

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что самый высокий КПД, на уровне 0,45–0,42, имеет ветроагрегат ВНТ8-10. Это объясняется тем, что в нем применена аэродинамически совершенная форма лопастей ветроколеса, и отсутствует редуктор. Ветроагрегат ВЭУ-30 также не имеет редуктора, но его ветроколесо имеет поворотные части лопастей, вызывающие дополнительные потери. КПД ВЭУ-30 находится на втором месте: 0,40–0,35. Общий КПД редукторных агрегатов GEV10-25 и АВЭУ6-4 находится на уровне 0,29–0,36 и 0,29–0,32 соответственно. Есть основание полагать, что при увеличении диаметра ветроколеса с 8 до 14 м и при соблюдении аэродинамического подобия с ВТН8-10 можно создать ветроэлектрическую установку мощностью 30 кВт более высокого качества, чем ВЭУ-30 (Швеция).

Рисунок 3.

Ветроагрегат ВЭУ-30 (Швеция)

Благодаря натурным испытаниям установлено, что ветроагрегат ВТН8-10 обеспечивает начало заряда аккумуляторной батареи (АБ) напряжением 240 В, начиная со скорости ветра 3,5 м/с, и развивает номинальную мощность 10 кВт при скорости ветра 10 м/с. Однако в конце заряда АБ мощность заряда резко снижается. Чтобы не допустить понижения выработки энергии ветроагретата, в ВИЭСХ разработаны и проверены специальные блоки отбора мощности, которые при снижении или отключении тока заряда автоматически увеличивают отбор мощности на производство тепла или на подъем воды [4].

По результатам проведенных испытаний ветроагрегата ВТН8-10 можно сделать следующие выводы:

– разработан и испытан быстроходный ветроэлектрический агрегат ВТН8-10 мощностью 10 кВт, имеющий по сравнению с известными аналогами более высокий общий КПД преобразования энергии ветра;

– ветроагрегат ВТН8-10 имеет новый тип фундамента, не требующий применения бетона и положительно зарекомендовавший себя в работе;

– в период испытаний ветроагрегата разработан и проверен в процессе эксплуатации блок отбора мощности, позволяющий без ущерба для завершения заряда аккумуляторной батареи производить регулируемый отбор энергии ветроагрегата для производства тепла или подъема воды;

– на базе технических решений ВТН8-10 целесообразно разработать новые ветроагрегаты мощностью до 30 кВт и освоить их серийное производство для применения в районах, не имеющих централизованное энергоснабжение.

Литература

1. Харитонов В. П. Автономные ветроэлектрические установки. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006.

2. Ветроустановка мощностью 30 кВт (ВЭУ-30). Лианозовский электромеханический завод (ЛЭМЗ) // e-mail: windenergy-lemz@mail.ru.

3. European Wind Turbine Catalogue. Energy Centre Denmark. 4. Copenhagen, 1994.

4. А.с. № 1020628. Ветроэлектрический насосный агрегат / Н.Д. Абрамов. – Опубл. 1983. Бюл. № 20.

*Информация о ветроагрегатах мощностью 10 кВт печаталась также в журналах «Энергосбережение» 2005, № 5, с. 62–66; 2006, № 1, с. 82–85.